專利名稱：具有全向輻射的寬帶天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可在無線的高位速率通訊領(lǐng)域中使用的意在接收和/或發(fā)射電磁信號的、具有全向輻射的寬帶天線；更具體地說，涉及UWB(超寬帶)形式的寬帶脈沖體制傳輸。這種通訊，例如為WLAN，WPAN，WBAN形式的。
背景技術(shù)：
在脈沖體制中，信息是以脈沖鏈，例如納秒數(shù)量級的非常短的脈沖送出的。這造成頻率的寬帶。
原來保留供軍用的超寬帶傳輸正逐漸地引入民用通訊領(lǐng)域中。于是，美國FCC單位最近采用了頻帶[3.1；10.6]GHz，以便能開發(fā)UWB通訊應(yīng)用。這種UWB的標準目前正在制訂。
許多應(yīng)用要求各向同性的天線，即在輻射圖形上是旋轉(zhuǎn)對稱的。這對于使用便攜式產(chǎn)品的應(yīng)用場合更是如此。便攜式產(chǎn)品理論上沒有特定的固定位置，并且必需通過UWB無線鏈接與訪問點通訊。例如，這里包括Lyra視頻形式，移動PC等產(chǎn)品。對于固定的點對點應(yīng)用也如此，對于這種應(yīng)用需要提供永久的鏈接，以便保證一定的(QoS)質(zhì)量。的確，人的運動可以破壞二個高度方向性的天線之間的電子束，因此，最好使用全向天線進行傳輸和/或接收。例如，這里包括與高分辨率的電視接收機通訊的視頻服務(wù)器。
最已知的全向天線之一為偶極子。如圖1所示，它包括二個長度為λ/4的相同的臂101和102，該二個臂彼此相對放置并由發(fā)生器103有區(qū)別地供電。主要由于實現(xiàn)簡單，特別是支配其電磁機理的數(shù)學(xué)表達式簡單，因此從電磁學(xué)的開始，這種形式的輻射元件就被徹底的研究和使用。J.D.Kraus著的“天線”(Mac Graw Hill，1988，第二版)的第5章包含說明這種形式的輻射元件的機理的數(shù)學(xué)表達式。特別是長距離輻射場在偶極子的中垂平面(圖1中的XOZ平面)中為最大，并且其理論阻抗大約為75Ω。它原來在各種各樣應(yīng)用的無線技術(shù)中使用，例如業(yè)余無線電，UHF接收，以及最近的WLAN形式的無線網(wǎng)絡(luò)。由于印刷電路的出現(xiàn)，它的實現(xiàn)更進一步簡單化，現(xiàn)在天線變成電路的一個整體部分。
這種形式的輻射元件的問題為一方面帶寬小，另一方面是供電一般會干擾結(jié)構(gòu)的對稱性。這導(dǎo)致附場的不對稱性和造成遠場圖形的惡化。結(jié)果，不再是全向的。
已經(jīng)知道基于有差別地供電的二個導(dǎo)電圈的組合的寬帶結(jié)構(gòu)。專利US6642903說明了這種結(jié)構(gòu)。為了使輻射元件能夠提供各向同性的輻射圖形，提出了給導(dǎo)電圈供電的一個復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一個具有全向輻射的寬帶天線，該天線具有不干擾輻射圖形的簡單的集成的供電。另外，這個天線可以進行脈沖體制的無線通訊。
本發(fā)明涉及具有全向輻射的寬帶天線，該天線包括放置在一個基板上的二個導(dǎo)電臂，其特征為，二個臂中的稱為第二臂的一個臂由屏蔽線路通過稱為第一臂的另一臂供電。
第一臂由導(dǎo)電材料制成，具有匹配的結(jié)構(gòu)，可以屏蔽饋電線路。屏蔽可使由線路產(chǎn)生的電場線電磁隔離。因此，天線發(fā)射不受供電干擾。
在一個實施例中，二個臂放置在具有二個面的基板上，至少第一臂包括相對地放置在該基板的二個面上，相同幾何形狀的二個導(dǎo)電元件，第二臂由在第一臂下面放置在該基板上的線路供電。
在二個導(dǎo)電元件之間通過的線路相對于天線是“隱藏的”。因此，可以防止在臂中感應(yīng)產(chǎn)生的任何虛假電流。這可提供在近和遠場強度的對稱性，因而可提供在臂之間通過的中垂平面中的全向圖形。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該二個導(dǎo)電元件由通過該基板和用導(dǎo)電材料充滿的孔連接。
這個特性允許由饋電線路產(chǎn)生的泄漏為在基板中的表面波形式。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該孔作在導(dǎo)電元件的周邊區(qū)域上。
這個特性保證彼此相對的導(dǎo)電元件的二個部分具有相同的電位。
在一個實施例中，第二臂包括相對地放置在基板的二個面上的相同幾何形狀的二個導(dǎo)電元件。
這種第二臂與第一臂同時制造，并且具有相對于在天線中的中垂平面對稱的結(jié)構(gòu)。自然，在第二臂上也可作出導(dǎo)電孔，特別是在導(dǎo)電元件的周邊區(qū)域上可作出導(dǎo)電孔。
在一個實施例中，至少一個臂包括圓形的導(dǎo)電元件。
在先前技術(shù)中已知圓形導(dǎo)電元件可以實現(xiàn)寬帶天線。如圖9所示，可以使用其他幾何形狀，特別是橢圓形狀。
在一個優(yōu)選實施例中，電路在至少是一個臂下面集成。


本發(fā)明的其他特性和優(yōu)點，從閱讀參照附圖對不同實施例的說明中可以了解。其中圖1為偶極子的概念圖解；圖2為根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的天線的透視圖；圖3表示給出作為供給圖2所示天線的信號的頻率的函數(shù)的反射系數(shù)的曲線；圖4a～圖4i表示圖3所示天線的3D輻射圖形；圖5表示圖2所示天線的效率的二條曲線；圖6為根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例的天線的示意性俯視圖；圖7表示根據(jù)通過圖2所示天線的導(dǎo)電元件202的中心的平面(XZ)的截面；圖8表示與通過根據(jù)本發(fā)明的一個變型的天線的導(dǎo)電元件的中心的平面(XZ)等價的截面；圖9表示根據(jù)本發(fā)明的一個天線的幾何形狀的變型。
具體實施例方式
首先，參照圖2～5說明根據(jù)本發(fā)明的具有全向輻射的寬帶天線的一個如圖2所示，該天線包括構(gòu)成偶極子的二個臂202和203。這些臂202和203中的每一個包括二個圓形的導(dǎo)電元件，分別為204，205和208，209。該圓形導(dǎo)電元件成對地在基板201上相對地放置。例如，它們可以雕刻，鋪設(shè)，粘接，印刷在基板201上。該導(dǎo)電元件由金屬材料制成。例如，它們也可由銅制成。也可以使用塑料(如“dibbon”)，在其表面上金屬化(例如鋁片)或帶有金屬的泡沫。
基板201可用各種撓性或剛性材料制成。例如，可用撓性或剛性的印刷電路板或任何其他介電質(zhì)材料例如玻璃板，塑料板等制成。因此，根據(jù)本發(fā)明容易制造具有優(yōu)越性質(zhì)的扁平天線。
根據(jù)圖2的實施例，導(dǎo)電元件由金屬化的孔，例如207和210連接。
偶極子可由第一個觸點211在第一臂202的高度上，和由第二個觸點212在第二臂203的高度上供電。第二個觸點212利用在第一臂202下面通過的埋入線路206與發(fā)生器連接。通常，該發(fā)生器屬于RF電路，從該電路取得能量供給天線。因此，該線路206為一帶狀線路。這可使這條線路對于天線是隱藏的。這還可以防止在臂中感生虛假電流。因此，天線的工作不受供電的影響。這可造成近和遠電場強度的對稱，因此可造成在中垂平面中的全向輻射圖形。在先前技術(shù)中，破壞輻射圖形的旋轉(zhuǎn)對稱性的供電，根據(jù)本發(fā)明為對稱的。
圖7表示根據(jù)通過圖2所示天線的導(dǎo)電元件202的中心的平面(XZ)的截面?？梢钥闯?，示意性表示的所有導(dǎo)電元件204，205和金屬化的孔207代表第一個導(dǎo)體，而代表第二個導(dǎo)體的饋電線路206形成帶狀線路。在這個圖中，利用箭頭表示二個導(dǎo)體之間的電場線。這些電場傳播的介電質(zhì)環(huán)境是均勻的。該帶狀線路為傳播稱為TEM(橫向電磁的)的模式的傳輸線路。對于這種線路，電和磁場只有一個橫向分量(即在截斷平面中)。因為電磁波被導(dǎo)向和不輻射，因此該線路被屏蔽。因此，它們不干擾輻射圖形。
為了仿真得到的結(jié)果，使用二個臂來實現(xiàn)圖2所示的天線。該二個臂中的每一個臂包括直徑為19.5mm的二個圓形的導(dǎo)電元件，該導(dǎo)電元件彼此相對地雕刻在FR4形式的基板的二個面上。該基板的相對介電常數(shù)εr＝4.4，高度h＝1mm。這些臂隔開一個距離d＝1mm。面對的導(dǎo)電元件由金屬化的孔成對地連接。線路206的寬度為0.4mm。這條線路通過第一臂的“內(nèi)部”，并且終端在將它與第二臂連接的金屬化的通道中。這個結(jié)構(gòu)利用電磁軟件HFSS(Ansoft公司)和IE3D(Zeland公司)進行仿真。仿真的結(jié)果表示在圖3～5中。
如圖3的曲線301所示，得到50Ω阻抗的直接匹配。這個阻抗比曲線302的低。曲線302是對包括二個臂，每一個臂包括在基板的一個面上的導(dǎo)電元件的偶極子作出的。這個阻抗的減小是從并聯(lián)放置由加厚金屬化產(chǎn)生的阻抗產(chǎn)生的。如圖3中的曲線301所示，這個性質(zhì)可得到這樣的天線當覆蓋2.65～12GHz的頻帶時，在非常大的帶寬上具有低于10dB的匹配。
因此，該天線的最大尺寸為(19.5×2+1)＝40mm，即在2.65GHz下為0.35λ。在曲線301上看，根據(jù)本發(fā)明的天線的一個優(yōu)點為低頻率比包括二個臂，每一個臂包括在基板的一個面上的導(dǎo)電元件的75Ω匹配的偶極子的低頻率較低。得到-8.6％的頻率偏移(從2.9GHz至2.65GHz通過)。
另一個優(yōu)點涉及50Ω直接匹配，因為在天線和RF饋電電路之間不需要75Ω至50Ω的阻抗轉(zhuǎn)換器。因此，限制了線路漏失。這是更優(yōu)越的，因為這種形式的轉(zhuǎn)換器在這種帶寬上難以實現(xiàn)，會產(chǎn)生頻率失真。
圖4表示在不同頻率2.65GHz(4a)，3GHz(4b)，4GHz(4c)，5GHz(4d)，6GHz(4e)，7GHz(4f)，8GHz(4g)，9GHz(4h)，10GHz(4i)時的輻射圖形。對于非常大的頻帶驗證了這些圖形的全向性質(zhì)。對于頻帶的上部頻率(f＞9GHz)，在方位角平面上觀察到大約8dB的圖形脈動。這種脈動非常輕微地使發(fā)射的信號的形式惡化，只有高頻(信號的快速變化)分量在方位角平面上不會各向同性地發(fā)射。為了補償這種脈動，可以通過將這些尺寸減小一個因子3.1GHz/2.65GHz＝1.17，在稍微較高的頻率下，重新決定整個結(jié)構(gòu)的尺寸。在9GHz出現(xiàn)的脈動將在1.17×9＝10.5GHz出現(xiàn)，這幾乎在有用的頻帶的外面。
以下的表表示在全部頻帶內(nèi)，增益的值幾乎為常數(shù)。

圖5表示偶極子的照度的效率502和天線的總效率501。對于整個3.1-10.6GHz頻帶，這個效率大于91％。對于UWB工藝，這點特別有趣，在那里不需使用任何放大級，可以傳送最小的功率。
由于脈沖系統(tǒng)的幾何形狀形式和其集成饋電系統(tǒng)，本發(fā)明對脈沖系統(tǒng)施加的時間限制響應(yīng)得特別好。另外，這種天線與50Ω的阻抗匹配，這是射頻電路的阻抗標準。
現(xiàn)參照圖6，說明本發(fā)明的另一個優(yōu)選實施例。這個圖表示相對于方位角平面具有不對稱的臂的偶極子。確實，根據(jù)本發(fā)明，二個臂可以有不同的形式。特別是，根據(jù)圖6，第二臂603的饋電線路606在其下面通過的第一臂602較大，并作為位于天線后面的一個或多個電路611的接地平面。這種電路611可以為RF電路和/或數(shù)字電路。
如仿真結(jié)果所示，根據(jù)本發(fā)明的天線有下列優(yōu)點—在寬頻帶上，在方位角平面中的輻射圖形的全向特征；—寬頻帶的匹配程度好；—由于輪廓是扁平的，容易將這種形式的天線集成在消費產(chǎn)品中；—可將射頻電路集成在同一板上作為天線(印刷電路技術(shù))；—因為是在任何低成本的基板上的印刷電路技術(shù)，因此成本低；—小尺寸的結(jié)構(gòu)最低頻率下的最大尺寸為0.35λ。
本發(fā)明不是僅限于所述的實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員知道，存在實施例的各種變型。例如，屏蔽線路可利用與第一臂為一整體的同軸電纜實現(xiàn)。在這種情況下，將同軸電纜釬焊在放置在基板的一個面上的導(dǎo)電元件上。這種導(dǎo)電元件與圖2所示的導(dǎo)電元件204相同。如圖8所示，最好，同軸電纜813沿著與方位角平面(XZ)垂直和屬于導(dǎo)電元件804的直徑釬焊。
另外，如圖9所示，該導(dǎo)電元件可以不但為圓形的(如圖2)，而且可以為橢圓形的，帶有垂直的或水平的主軸線。
權(quán)利要求
1.一種具有全向輻射的寬帶天線，包括放置在基板(201)上的二個導(dǎo)電臂(202，203)，其特征為，稱為第二臂(203)的二個臂中的一個臂，通過使用稱為第一臂(202)的另一臂，由屏蔽線路(206)供電。
2.如權(quán)利要求1所述的天線，其中，放置在基板(201)上的二個臂(202，203)有二個面，至少第一臂(202)包括彼此相對地放置在基板(201)的二個面上的幾何形狀相同的二個導(dǎo)電元件(204，205)；和第二臂(203)由在第一臂(202)下面，放置在基板(201)上的線路(206)供電。
3.如權(quán)利要求2所述的天線，其特征為，二個導(dǎo)電元件(204，205)由通過基板(201)和充有導(dǎo)電材料的孔(207)連接。
4.如權(quán)利要求3所述的天線，其特征為，孔(207)作在導(dǎo)電元件(204，205)的周邊上。
5.如權(quán)利要求2～4中任何一條所述的天線，其特征為，第二臂(203)包括彼此相對地放置在基板(201)的二個面上的，幾何形狀相同的二個導(dǎo)電元件(208，209)。
6.如權(quán)利要求2～5中任何一條所述的天線，其特征為，電路(611)集成在至少是一個臂(602)中。
7.如權(quán)利要求1～6中任何一條所述的天線，其特征為，臂(202，203)中至少一個臂包括圓形的導(dǎo)電元件。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有全向輻射的寬帶天線，它包括放置在基板(201)上的二個導(dǎo)電的臂(202，203)，其特征為，稱為第二臂(203)的二個臂中的一個臂，通過使用稱為第一臂(202)的另一個臂，由屏蔽線路(206)供電。
文檔編號H01Q5/00GK1965446SQ200580019038
公開日2007年5月16日 申請日期2005年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月9日
發(fā)明者弗蘭克·圖多爾, 菲利普·錢伯林, 埃默里克·格格恩 申請人:湯姆森特許公司